2-3 单级低频小信号放大器《电子技术基础与技能》云南省 电子电工类 知识点讲解

云南省装备制造大类对口高考电子技术复习讲义 模块2 晶体三极管和单级低频小信号放大器 2-3 单级低频小信号放大器 【考纲要求】 （1） 理解共发射极基本放大电路的组成和各元件的作用 （2）掌握估算、测试和调整放大器的静态工作点 （3）能分析单级放大电路的电压放大倍数、输入输出电阻 【知识网络】 【知识和技能要点】 单级低频小信号放大器是放大电路的基础形式，以共发射极接法为核心，针对低频（一般 < 20kHz）、小幅度输入信号实现电压放大，核心分为静态分析（确定工作点）和动态分析（分析放大性能）两部分，是理解复杂放大电路的关键。 1、 共发射极基本放大电路的组成及各元件作用 共发射极基本放大电路图： 基本共射极放大电路由三极管、直流电源、电阻、电容四类核心元件组成，各元件分工明确，共同实现信号放大且保证电路正常工作，典型电路为固定偏置共射放大电路（含 RB、RC、C1、C2、三极管 VT、直流电源 VCC），各元件作用如下： 1. 三极管（VT）：电路核心有源器件，利用 “发射结正偏、集电结反偏” 的放大条件，将微小的基极电流变化转化为较大的集电极电流变化，实现电流控制与信号放大，硅管为常用类型（UBE≈0.7V）。 2. 集电极直流电源（VCC）：① 为电路提供全部工作能量；② 保证三极管集电结反偏（VCC 正极接 RC 至集电极 C，负极接发射极 E）；③ 为集电极电流 IC 提供流通回路，典型值几伏至几十伏。 3. 基极偏置电阻（RB）：① 与 VCC 配合为三极管发射结正偏提供合适的基极电流 IBQ，设定电路静态工作点；② 通过改变 RB 阻值，可调整 IBQ 大小，进而改变 ICQ 和 UCEQ，阻值一般为几十千欧至几百千欧。 4. 集电极负载电阻（RC）：① 将集电极电流的变化 ΔIC 转化为集电极电压的变化 ΔUC（ΔUC=-ΔIC・RC），实现电流放大到电压放大的转换；② 配合 VCC 确定集电极静态电位 VC，阻值一般为几千欧至几十千欧。 5. 输入耦合电容（C1）、输出耦合电容（C2）：核心作用隔直通交，① 隔离输入 / 输出回路与信号源 / 负载的直流成分，防止前后级直流相互影响，保证三极管静态工作点稳定；② 让交流输入信号顺利进入三极管基极，让放大后的交流输出信号顺利传送给负载 RL，电容值一般为几微法至几十微法（电解电容，需注意极性）。 6. 发射极旁路电容（CE，可选）：并联在发射极电阻（若有）两端，滤除发射极的交流信号，消除交流负反馈，提高电路的电压放大倍数；若无 CE，交流信号会在发射极电阻上产生压降，导致 Au 显著减小，电容值一般为几十微法至几百微法。 二、放大器的静态工作点（Q 点）—— 估算、测试与调整 符号说明: 以基极电流为例,iB代表基极电流的瞬时值,IB代表直流分量,ib代表交流分量,有效值用Ib表示,复数量量用表示. 静态工作点是指放大器无交流输入信号时，三极管各电极的直流电流和电压，用Q 点表示，核心参数为基极静态电流 IBQ、集电极静态电流 ICQ、集射极静态管压降 UCEQ，Q 点是放大器动态工作的基础，必须设置在放大区，否则会出现信号失真。 1. 静态分析的核心方法：直流通路法 直流量仅在直流通路中流通，画直流通路的规则：① 电容（C1、C2、CE）开路（电容隔直流）；② 直流电源保留，交流信号源短路；③ 三极管保持原结构，标注各电极直流电流 / 电压。 固定偏置共射放大电路的直流通路：VCC→RB→三极管 B 极→E 极→地，形成基极回路；VCC→RC→三极管 C 极→E 极→地，形成集电极回路。 2. 静态工作点的估算（硅管，UBE≈0.7V） 基于直流通路，利用基尔霍夫电压定律，通过公式直接计算 IBQ、ICQ、UCEQ，是工程上最常用的方法： UBEQ近似等于二极管的正向电压值,一般取: UBEQ 0.3V(硅管) 0.7V(锗管) 基极静态电流：（若 VCC>>UBE，可近似为）； 集电极静态电流：（三极管工作在放大区，电流放大规律成立）； 集射极静态管压降：。 判断 Q 点是否在放大区：UCEQ > 1V（硅管），保证集电结反偏，无饱和失真；UCEQ < VCC-1V，保证无截止失真。 3. 静态工作点的测试 实际电路中，通过万用表（直流档）测量三极管各电极的直流电位，间接计算 Q 点参数，无需断开电路，操作简便： 1. 测量发射极电位 VE：发射极接地时，VE=0V； 2. 测量基极电位 VB：根据，计算； 3. 测量集电极电位 VC：根据，计算； 4. 验证：对比计算值与估算值，判断电路是否正常工作。 4. 静态工作点的调整（核心：改变 RB 阻值） Q 点过高（ICQ 过大，UCEQ 过小）会导致饱和失真，Q 点过低（ICQ 过小，UCEQ 过大）会导致截止失真，需通过调整参数使 Q 点回到放大区，调整优先级：改变 RB > 改变 RC > 改变 VCC： 1. 改变基极偏置电阻 RB（最常用、最便捷）： RB 减小→IBQ 增大→ICQ 增大→UCEQ 减小→Q 点上移（解决截止失真）； RB 增大→IBQ 减小→ICQ 减小→UCEQ 增大→Q 点下移（解决饱和失真）； 2. 改变集电极负载电阻 RC： RC 增大→UCEQ 减小→Q 点右移；RC 减小→UCEQ 增大→Q 点左移；（仅改变 UCEQ，不改变 ICQ） 3. 改变直流电源 VCC： VCC 增大→IBQ、ICQ 增大，UCEQ 增大→Q 点整体上移； VCC 减小→IBQ、ICQ 减小，UCEQ 减小→Q 点整体下移；（需同步调整电源，实操性差）。 三、单级放大电路的动态分析 —— 性能指标（Au、ri、ro）分析 动态是指放大器有交流输入信号时的工作状态，动态分析的核心是研究电路的交流放大性能，核心性能指标为电压放大倍数 Au、输入电阻 ri、输出电阻 ro，分析方法为交流通路法+微变等效电路法（将三极管线性化，转化为无源线性电路，方便计算）。 1. 动态分析的前提 三极管工作在放大区，Q 点设置合理，交流输入信号为小信号（保证三极管工作在线性区，无失真）。 2. 交流通路与微变等效电路 （1）画交流通路的规则 交流量仅在交流通路中流通，规则：① 电容（C1、C2、CE）短路（电容通交流）；② 直流电源 VCC对地短路（直流电源电位恒定，交流信号无压降）；③ 信号源与负载 RL 接入电路，标注交流信号电压 / 电流。 （2）三极管的微变等效电路 小信号下，三极管的输入回路（B-E 间）可等效为动态输入电阻 rbe，输出回路（C-E 间）可等效为受控电流源 βib（ib 为基极交流电流，受控于 ib，大小为 βib，方向由 ib 决定）： 核心特性：rbe 与 β、ICQ 相关，ICQ 增大，rbe 减小；β 增大，rbe 略有增大。 a.晶体管的输入回路及等效电路图 式中, ube,ib是交流量, rbe称为晶体管的输入电阻,它是一个动态电阻,这样就可以把晶体管的输入回路等效成如上图所示.对于低频小功率晶体管, rbe常用下面公式来估算: b.晶体管的输出回路及等效电路图 在晶体管的输出特性曲线中可以看出,在放大区内,输出曲线是一组近似水平平行和等间隔的直线如图示,忽略uCE对iC的影响,则ΔiC与ΔiB之比为： 放大电路的微变等效电路： 3. 核心性能指标的估算（带负载 RL，有 CE） 基于微变等效电路，利用欧姆定律和基尔霍夫定律，计算电压放大倍数 Au、输入电阻 ri、输出电阻 ro，是分析放大电路性能的核心公式： （1）电压放大倍数 表征放大器电压放大能力，定义为输出交流电压 uo 与输入交流电压 ui 的比值，即，负号表示共射放大电路输出电压与输入电压反相： 式中为集电极等效负载电阻，记为 RL'； 空载时（RL→∞），，空载电压放大倍数大于带载时； 影响因素：β 越大、RL' 越大、rbe 越小，Au 越大；无 CE 时，Au 会显著减小（存在交流负反馈）。 （2）输入电阻 表征放大器对信号源的负载程度，定义为放大器输入端的交流电压 ui 与交流电流 ii 的比值，即，共射放大电路的输入电阻： 工程上，RB >> rbe，可近似为（几百欧至几千欧）； 性能要求：输入电阻越大越好，减小信号源的电流损耗，提高输入信号的利用率。 （3）输出电阻 表征放大器带负载能力，定义为信号源短路、负载开路时，放大器输出端的等效电阻，共射放大电路的输出电阻： 阻值一般为几千欧至几十千欧； 性能要求：输出电阻越小越好，放大器带负载后，输出电压的下降幅度越小，带负载能力越强。 4. 性能指标的物理意义 电压放大倍数 Au：反映放大器将输入电压放大的倍数，负号表示反相（共射特性），|Au | 越大，电压放大能力越强； 输入电阻 ri：ri 越大，放大器从信号源吸取的电流越小，信号源的压降越小，ui 越接近信号源电压 us； 输出电阻 ro：ro 越小，放大器的输出电压受负载 RL 变化的影响越小，带载能力越强（如接扬声器、指示灯等负载时，输出电压稳定）。 四、核心技能要点 1. 能识别固定偏置共射极放大电路的各元件，熟记各元件的核心作用，尤其是 RB、RC、C1、C2 的隔直通交、设定偏置、转流为压作用； 2. 能根据直流通路法，熟练估算硅管共射放大电路的静态工作点（IBQ、ICQ、UCEQ），并判断 Q 点是否在放大区； 3. 能通过测量三极管各电极直流电位，间接测试 Q 点参数，掌握 Q 点的调整方法（核心改变 RB），解决饱和 / 截止失真； 4. 能画出放大电路的交流通路和三极管的微变等效电路，熟记 rbe、Au、ri、ro 的估算公式； 5. 能分析各参数（β、RB、RC、RL）对电压放大倍数 Au 的影响，理解输入电阻、输出电阻的性能要求； 6. 能判断发射极旁路电容 CE 的作用，明确有无 CE 对电压放大倍数的影响。 【练习题】 一、选择题 1. 共发射极基本放大电路中，集电极负载电阻 RC 的核心作用是（） A. 设定基极静态电流 IBQ B. 将 ΔIC 转化为 ΔUC，实现电压放大 C. 隔直通交，传输交流信号 D. 保证发射结正偏 2. 固定偏置共射放大电路中，硅管的 UBE 近似取（） A. 0.3V B. 0.7V C. 1V D. 0V 3. 估算静态工作点 IBQ 的公式为（） A. B. C. D. 4. 共射放大电路中，解决截止失真的方法是（） A. 增大 RB B. 减小 RB C. 增大 RC D. 减小 RL 5. 三极管动态输入电阻 rbe 的估算公式中，IEQ 的单位是（） A. 安（A） B. 毫安（mA） C. 微安（μA） D. 千安（kA） 6. 共射放大电路带负载 RL 后，电压放大倍数 Au 会（） A. 增大 B. 不变 C. 减小 D. 变为 0 7. 共射放大电路的输入电阻 ri 近似为（）（RB>>rbe） A. RB B. RC C. rbe D. RL 8. 表征放大器带负载能力的指标是（） A. 电压放大倍数 Au B. 输入电阻 ri C. 输出电阻 ro D. 静态电流 ICQ 二、判断题 1. 耦合电容 C1、C2 的核心作用是隔直通交，防止前后级直流相互影响。（） 2. 静态工作点 Q 点设置在饱和区时，放大器会出现截止失真。（） 3. 改变基极偏置电阻 RB 是调整 Q 点最常用、最便捷的方法。（） 4. 交流通路中，直流电源 VCC 需要对地短路，电容 C1、C2 需要开路。（） 5. 三极管的微变等效电路中，输出回路等效为受控电流源 βib，受控于基极交流电流 ib。（） 6. 共射放大电路的输出电压与输入电压同相，电压放大倍数为正。（） 7. 放大器的输入电阻越大，对信号源的负载程度越小，信号利用率越高。（） 8. 发射极旁路电容 CE 的作用是滤除交流信号，消除交流负反馈，提高 Au。（） 三、填空题 1. 共发射极基本放大电路的核心元件为 ，其作用是实现 控制，完成信号放大。 2. 静态工作点 Q 点的三个核心参数是 、 、 ，放大器的 Q 点必须设置在 区。 3. 画直流通路时，电容应 ，画交流通路时，直流电源应 。 4. 硅管共射放大电路中，ICQ≈ ，UCEQ= 。 5. 三极管动态输入电阻 rbe 的估算公式为 ，其阻值与 和 相关。 6. 共射放大电路带负载时的等效负载电阻 RL'= ，空载时 RL'= 。 7. 共射放大电路电压放大倍数的公式为 ，负号表示 。 8. 放大器的输入电阻越 越好，减小信号源损耗；输出电阻越 越好，提高带负载能力。 四、简答题 1. 简述固定偏置共射极放大电路中 RB、RC、C1、C2 的核心作用。 2. 什么是静态工作点？为何要合理设置静态工作点？Q 点过高或过低会出现什么失真？ 3. 简述共射放大电路静态工作点的调整方法，说明核心调整方式的原理。 4. 分析集电极负载电阻 RC、负载 RL 对电压放大倍数 Au 的影响，并说明原因。 五、计算题 1. 已知固定偏置共射放大电路中，VCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，三极管 β=50，硅管（UBE=0.7V），发射极接地，空载（RL→∞）。 求：（1）静态工作点 IBQ、ICQ、UCEQ；（2）三极管动态输入电阻 rbe；（3）空载电压放大倍数 Au。 2. 上述电路中，若接负载 RL=4kΩ，其他参数不变，求：（1）集电极等效负载电阻 RL'；（2）带载电压放大倍数 Au；（3）输入电阻 ri（RB>>rbe，近似计算）和输出电阻 ro。 3. 若将上述电路中的 RB 减小为 150kΩ，其他参数不变，计算 UCEQ，并判断三极管是否工作在饱和区（硅管 UCES≈0.3V）。 【答案】 一、选择题 1. B 2. B 3. B 4. B 5. B 6. C 7. C 8. C 二、判断题 1. √ 2. ×（Q 点过高在饱和区，出现饱和失真；Q 点过低在截止区，出现截止失真） 3. √ 4. ×（交流通路中电容 C1、C2 短路） 5. √ 6. ×（共射放大电路输出与输入反相，Au 为负） 7. √ 8. √ 三、填空题 1. 三极管；电流 2. 基极静态电流 IBQ；集电极静态电流 ICQ；集射极静态管压降 UCEQ；放大 3. 开路；对地短路 4. βIBQ；VCC - ICQ·RC 5. ；β；ICQ（IEQ） 6. RC∥RL；RC 7. ；输出电压与输入电压反相 8. 大；小 四、简答题 1. ①RB：基极偏置电阻，与 VCC 配合设定基极静态电流 IBQ，调整 RB 可改变 Q 点；②RC：集电极负载电阻，将集电极电流变化 ΔIC 转化为电压变化 ΔUC，实现电流放大到电压放大的转换；③C1、C2：耦合电容，隔直通交，隔离信号源 / 负载与电路的直流成分，同时传输交流输入 / 输出信号。 2. 静态工作点是放大器无交流输入时，三极管各电极的直流电流和电压（IBQ、ICQ、UCEQ）。合理设置 Q 点的目的是保证三极管工作在放大区，使交流信号在整个周期内都能被线性放大，避免失真。Q 点过高（ICQ 过大），三极管进入饱和区，出现饱和失真；Q 点过低（ICQ 过小），三极管进入截止区，出现截止失真。 3. Q 点调整方法有改变 RB、改变 RC、改变 VCC，核心为改变 RB。原理：RB 减小→基极回路电压增大→IBQ 增大→ICQ=βIBQ 增大→UCEQ 减小，Q 点上移，解决截止失真；RB 增大→IBQ 减小→ICQ 减小→UCEQ 增大，Q 点下移，解决饱和失真。 4. ①RC 增大，RL'=RC∥RL 增大，根据，Au 的绝对值增大；RC 减小，RL' 减小，Au 的绝对值减小。②RL 减小，RL'=RC∥RL 减小，Au 的绝对值减小；RL 增大（空载时 RL→∞），RL'=RC，Au 的绝对值增大；原因：电压放大倍数与集电极等效负载电阻 RL' 成正比，RC 或 RL 的变化会直接改变 RL'，进而影响 Au。 五、计算题 1. 解：（1）估算静态工作点 （2）计算 rbe（） （3）空载电压放大倍数（RL→∞，RL'=RC=4kΩ） 答：IBQ≈0.0377mA，ICQ≈1.885mA，UCEQ≈4.46V；rbe≈1kΩ；空载 Au=-200。 2. 解：（1）等效负载电阻 （2）带载电压放大倍数 （3）输入电阻（RB>>rbe，ri≈rbe）、输出电阻 ； 答：RL'=2kΩ；带载 Au=-100；ri≈1kΩ，ro=4kΩ。 3. 解：RB=150kΩ 时， 实际中 UCEQ 不可能为负，说明三极管进入饱和区，此时 ICQ 不再遵循 ICQ=βIBQ，饱和电流，UCEQ=UCES≈0.3V。 答：理论计算 UCEQ≈-3.066V，实际三极管工作在饱和区，UCEQ≈0.3V。 学科网（北京）股份有限公司 $